三元正極材料用于鋰離子電池的研究

　　摘要：高鎳三元鋰離子電池正極材料具有放電容量大、循環(huán)性能好以及成本低等優(yōu)點(diǎn)被認(rèn)為是替代 LiNiO2、LiCoO2、LiMnO2的一種極具發(fā)展前景的正極材料之一。為了滿足動(dòng)力電池對(duì)鋰離子電池正極材料的要求，研究者對(duì)各種正極材料進(jìn)行了深入的研究。鎳鈷錳三元正極材料有較高的能量密度以及較好的循環(huán)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，有希望應(yīng)用于電動(dòng)汽車和混合電動(dòng)汽車上。

　　關(guān)鍵詞：高性能;鋰離子電池;正極材料

　　近年來(lái)，由于化石能源過(guò)度開采和大量使用，并且化石燃料在使用過(guò)程中，產(chǎn)生的有害氣體和溫室氣體對(duì)人類的生產(chǎn)和生活產(chǎn)生了極其惡劣的影響。因此，開發(fā)可再生清潔新能源在一定程度上成為緩解能源短缺和環(huán)境污染(溫室效應(yīng)、酸雨、霧霾等)的有效途徑。目前，汽車產(chǎn)業(yè)是能源消耗的大戶，為適應(yīng)綠色節(jié)能環(huán)保的新理念，國(guó)務(wù)院已提出了汽車工業(yè)向純電驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)型的戰(zhàn)略，推廣純電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車與節(jié)能內(nèi)燃機(jī)汽車的普及，提高汽車產(chǎn)業(yè)的整體技術(shù)水平。電動(dòng)汽車發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是動(dòng)力電池，鋰電池由于其電池電壓高，容量大，能量密度高，循環(huán)壽命長(zhǎng)，自放電率低，環(huán)境友好，無(wú)記憶效應(yīng)，密封良好等優(yōu)點(diǎn)而得到業(yè)界的廣泛認(rèn)可。因此，加大對(duì)鋰離子電池的研發(fā)力度，具有十分重要的意義。

　　作者：張寧

　　1 鋰離子電池正極材料及要求

　　1.1鋰離子電池正極材料

　　鋰離子電池中常用的正極材料一般是含鋰的變價(jià)金屬化合物。在鋰離子電池充電的過(guò)程中，鋰離子從正極材料的晶體結(jié)構(gòu)中脫嵌出來(lái)，為了維持材料本身的電中性，變價(jià)金屬離子會(huì)被氧化為更高價(jià)態(tài)的離子，以此起到穩(wěn)定材料晶體結(jié)構(gòu)的作用，鋰離子正極材料在充放電過(guò)程中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性對(duì)于電池的整體性能有著關(guān)鍵的作用。鋰離子正極材料按照材料的晶體結(jié)構(gòu)類型分類，可以分為尖晶石型、橄欖石型以及層狀結(jié)構(gòu)。大部分研究者的研究工作都是圍繞著這幾類材料而展開的。

　　鋰電論文范例：鋰電池儲(chǔ)能艙運(yùn)行狀態(tài)信息采集系統(tǒng)研究

　　1.2銼離子電池的工作原理與結(jié)構(gòu)

　　鏗離子電池以鏗電池發(fā)展為基礎(chǔ)，實(shí)質(zhì)為鏗離子濃差電池。鏗離子電池的正負(fù)極均為能夠進(jìn)行可逆嵌鏗刊;改里的化合物。正極材料一般為電勢(shì)較高，在空氣中穩(wěn)定存在的嵌鏗過(guò)渡金屬氧化物;而負(fù)極材料一般為電勢(shì)盡可能接近金屬鏗的電勢(shì)的嵌鏗物質(zhì)。鏗離子電池的工作原理，在充放電過(guò)程中，鏗離子在正極與負(fù)極之間來(lái)回嵌入和脫嵌，所以鏗離子電池也稱作搖椅電池。在充電時(shí)，鏗離子從正極脫嵌進(jìn)入電解液最后嵌入負(fù)極，使正、負(fù)極分別處于貧鏗和富鏗狀態(tài)，同時(shí)，為保證電荷的平衡，電子通過(guò)外電路由正極流向負(fù)極。放電時(shí)則與上述過(guò)程相反。

　　2、三元材料的合成

　　2.1高溫固相法

　　高溫固相法的特點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單、成本低、易于控制、適合工業(yè)化生產(chǎn)。但是固相法的混合方式屬于物理混合，很難實(shí)現(xiàn)反應(yīng)物原子級(jí)別的混合，因此固相法合成的材料均一性較差而且在混合過(guò)程中可能由于引入雜質(zhì)而影響材料的電化學(xué)性能。

　　2.2共沉淀法

　　目前，已有大量文獻(xiàn)報(bào)道的常用制備鎳鈷錳三元正極材料前驅(qū)體的方法主要是氫氧化鈉共沉淀法。最早期的共沉淀法是在長(zhǎng)頸燒瓶中合成的，在合成過(guò)程中，氨水的主要作用是作為絡(luò)合劑，與過(guò)渡金屬離子絡(luò)合以達(dá)到沉淀的目的。

　　2.3溶膠凝膠法

　　溶膠凝膠法是將乙酸鹽、鋰源以及絡(luò)合劑先制備成溶膠溶液，然后緩慢蒸發(fā)水分形成凝膠，最后除去水分得到前驅(qū)體。前驅(qū)體可直接進(jìn)行高溫煅燒得到三元正極材料。

　　2.4熔融鹽法

　　材料在液相狀態(tài)下進(jìn)行結(jié)晶時(shí)，材料結(jié)晶性更好、晶體結(jié)構(gòu)缺陷較少。熔融鹽法就是將正極材料的反應(yīng)結(jié)晶過(guò)程置于熔融狀態(tài)的鹽中進(jìn)行，這個(gè)過(guò)程類比了礦物質(zhì)在水熱條件下結(jié)晶過(guò)程。

　　3、鎳鈷錳三元正極材料的改性研究

　　三元正極材料的缺陷主要表現(xiàn)在熱穩(wěn)定性較差，充放電過(guò)程中存在的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變等問(wèn)題。針對(duì)三元材料的以上缺陷，目前，對(duì)三元正極材料的改性研究主要包括摻雜、包覆、核殼結(jié)構(gòu)、濃度梯度等。其中摻雜改性能改善材料的熱穩(wěn)定性能，摻雜后的正極材料具有緩解或抑制電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的作用，除此之外摻雜改性還可以改變材料的晶格間距等。

　　因此，摻雜能夠提高材料的耐高溫性能、改善材料的循環(huán)和倍率性能;而包覆則主要是抑制正極材料與電解液之間的副反應(yīng)、緩解或消除材料在循環(huán)過(guò)程中過(guò)渡金屬離子的溶解;而核殼結(jié)構(gòu)則是包覆的基礎(chǔ)上進(jìn)行的延伸，核殼結(jié)構(gòu)的核和殼都是電化學(xué)活性物質(zhì)，且在界面處具有較好的相容性，核殼結(jié)構(gòu)的作用主要是改善正極材料的界面性能、降低正極材料/電解液界面處的副反應(yīng)以及抑制活性較高的過(guò)渡金屬離子的溶解。濃度梯度設(shè)計(jì)主要是基于為了解決核殼結(jié)構(gòu)中核與殼的相容性差而提出來(lái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，使材料的組分由表面向內(nèi)部連續(xù)變化以提高內(nèi)外材料的相容性。濃度梯度作為一種很有前景的三元正極材料設(shè)計(jì)方案，能夠有效地改善材料的界面性能和緩解正極材料/電解液界面處的副反應(yīng)。

　　4結(jié)論

　　關(guān)于鋰離子電池三元正極材料的性能、現(xiàn)狀，結(jié)合相關(guān)報(bào)道可以看出，層狀Li-Ni-Co-Mn-O材料依然具有很強(qiáng)的開發(fā)價(jià)值，不同類型三元正極材料的制備也為其發(fā)展帶來(lái)了很多便利。尤其是LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2具有容量高、循環(huán)穩(wěn)定性好、倍率性能高等優(yōu)點(diǎn)，適宜用作電動(dòng)汽車的鋰離子電池正極材料，目前備受關(guān)注。LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2雖然具有許多優(yōu)良性能，但仍存在高電壓區(qū)間性能差、放電能力差、振實(shí)密度低等缺點(diǎn)。通過(guò)改善合成工藝、有效的包覆或摻雜，提高材料的循環(huán)和倍率性能及充放電截止電壓，從而獲得更高比容量的鋰離子電池商業(yè)化正極材料。在未來(lái)的研究中，應(yīng)秉承價(jià)格低廉、性能優(yōu)異、無(wú)污染的研發(fā)理念，使三元正極鋰離子電池材料發(fā)展為電動(dòng)汽車的主流材料。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]陳婷婷,陳校軍,宋鵬元,何巍.LiF摻雜對(duì)Li Ni_(0.9)Mn_(0.1)O_2正極材料組織及性能的影響[J].廣東化工,2020,47(23):26-29.

　　[2]廖財(cái)斌,任國(guó)興,肖松文.三元正極廢粉還原焙燒——水浸提鋰過(guò)程氟磷雜質(zhì)的影響[J].有色金屬(冶煉部分),2020(12):42-47.

　　[3]張思東,劉園,祁慕堯,曹安民.表面限域摻雜提升高比能正極材料穩(wěn)定性[J/OL].物理化學(xué)學(xué)報(bào):1-13[2020-12-29].

　　[4]趙甜夢(mèng).三元正極材料安全性及其改善方法[J].山東化工,2020,49(22):138+144.

　　[5]張晨露,王碧俠,李卓陽(yáng),馬紅周,朱軍.廢舊鋰離子電池正極有價(jià)金屬回收試驗(yàn)研究[J].有色金屬工程,2020,10(11):73-78.

　　作者簡(jiǎn)介：姓名：張寧。性別：女。民族：漢。

轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明來(lái)自發(fā)表學(xué)術(shù)論文網(wǎng)：http:///dzlw/26052.html